Développement de modules électroniques frontaux pour des détecteurs de rayons gamma et de particules chargées

Development of front-end electronic modules for gamma ray and charged particle detectors

• Auteur / Autrice : Xiushan Chen
• Direction : Guo Neng Lu, Étienne Testa, Yannick Zoccarato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Système électroniques
• Date : Soutenance le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Imad Laktineh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guo Neng Lu, Étienne Testa, Yannick Zoccarato, Marie-Minerve Louërat, Wilfried Patrick Uhring
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Minerve Louërat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Hodoscopes

Caméras à scintillations

Innovation

Électronique

Mots clés libres

TDC

Firmware sur FPGA

Carte frontale

Caméras gamma

IRPC (improved Resistive Plate Chambers)

TDC

Firmware on FPGA

Front-end board

Gamma cameras

IRPC (improved Resistive Plate Chambers)

Résumé

Le travail de cette thèse s’inscrit dans le cadre de deux projets de développement : CLaRyS (caméras gamma prompts) et CMS muon (détecteur iRPC (improved Resistive Plate Chambers )). Il porte d’une parte, sur la conception et la mise en oeuvre d’une électronique frontale de mesure de temps par TDC (Time-to-Digital Converter) sur FPGA, et d’autre part, sur l’intégration de TDC dans des systèmes d’application. Plusieurs TDCs se sont développés en s’appuyant sur la méthode Nutt (combinaison de mesure du temps grossier et du temps fin avec interpolation), pour optimiser la plage dynamique de mesure et la résolution temporelle. Nous avons conçu, pour le projet CLaRyS, un TDC multi-phase avec l’enregistrement déclenché par le signal à mesurer ; et pour le projet iRPC, trois versions de TDC TDL (Tapped Delay Line). Le TDC multi-phase utilise un minimum de ressource de FPGA, tandis que les trois versions du TDC-TDL sont respectivement pour les besoins spécifiques : la mesure de largeur d’impulsion du signal (TOT : Time-Over-Threshold), l’immunité au bruit et une grande précision de mesure temporelle (< 3.6 ps en RMS (Root-Mean-Square)). D’autre part, une carte frontale « hodoscope » pour une caméra gamma a été développée dans le cadre du projet CLaRyS. Elle incorpore un FPGA StratixII GX intégrant le TDC multi-phase sur 3 voies identiques. Ce développement inclut des microprogrammes sur FPGA (« firmware ») contrôlant le TDC et la communication des données. D’autres firmwares avec des fonctions similaires ont été mis en oeuvre sur les FPGAs de deux autres cartes frontales : carte « absorbeur » de la caméra gamma et carte FEBV1 du projet iRPC. Ces réalisations « hardware » et « firmware » ont été testées et validées en conditions expérimentales avec faisceaux d’ions, rayonnements cosmiques et sources radioactives.

The work of this thesis is part of two development projects: CLaRyS (prompt gamma cameras) and CMS muon (iRPC (improved Resistive Plate Chambers) detector). It relates on the one hand, to the design and implementation of a front-end electronic time measurement by TDC (Time-to-Digital Converter) on FPGA, and on the other hand, to the integration of TDC in application systems. Several TDCs have been developed based on the Nutt method (combination of coarse time measurement and fine time measurement with interpolation), to optimize the dynamic range of measurement and the temporal resolution. We designed, for the CLaRyS project, a multiphase TDC with recording triggered by the signal to be measured; and for the iRPC project, three versions of TDL (Tapped Delay Line) -TDC. The multiphase TDC uses minimal FPGA resources, while the three versions of the TDL-TDC are respectively for specific needs: signal pulse width measurement (TOT: Time-Over-Threshold), noise immunity and high precision time measurement (<3.6 ps in RMS (Root-Mean-Square)). On the other hand, a ''hodoscope'' front-end board for a gamma camera has been developed as part of the CLaRyS project. It incorporates a StratixII GX FPGA integrating the multiphase TDC on 3 identical channels. This development includes firmware on FPGA controlling the TDC and data communication. Other firmwares with similar functions have been implemented on the FPGAs of two other front-end boards: ''absorber'' board of the gamma camera and FEBV1 board of the iRPC project. These ''hardware'' and ''firmware'' achievements have been tested and validated in experimental conditions with ion beams, cosmic rays and radioactive sources.